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‘재생에너지 3020’ 달성, PVT 보급 확대에 달렸다

전기·열 동시 생산…제로E건축물 최적
PV價 급락·보급 확산…PVT 시장 탄력
KS표준·인증제도·인센티브 등 마련 시급


태양광 모듈과 태양열 집열기를 결합한 형태의 태양광·열 복합모듈을 PVT(Photovoltaic Thermal)모듈이라고 부르며 전기와 열을 동시에 획득하는 태양에너지설비다. 국내에서는 아직까지 생소하지만 해외에서는 1970년대부터 태양광(PV)과 태양열(ST)을 결합하는 다양한 연구가 진행돼 왔다.


작동유체에 따라 크게 공기식과 액체식으로, 모듈 및 컬렉터의 형태에 따라 평판형과 집광형으로, 평판형은 유창형과 무창형으로 분류된다.


PVT시스템은 기본적으로 PV모듈, 인버터, 열전달장치인 집열기와 열교환기, 축열장치 및 보조열원으로 구성되며 적용처에 따라 기존의 PV 및 태양열 집열 시스템과 유사하게 구성되기도 한다.


PVT시장은 급변하고 있다. PVT기술은 이미 기술개발 및 실증연구를 통해 상용화가 이뤄지고 있으며 다양한 국가의 제조사를 통해 제품이 개발, 출시되고 있다.


PVT모듈에 대한 최초의 개발동기는 PV모듈의 열적 특성 즉, 모듈의 온도가 상승하면 발전효율이 감소(0.4%/K 감소)하는 특성을 보완하기 위해 태양광패널을 냉각시키는데서 비롯됐다.


하지만 현재는 보다 광범위한 파장대의 일사를 효율적으로 사용하고 태양광패널의 냉각과정에서 얻어지는 열을 직접 이용 또는 히트펌프를 이용해 승온시켜 필요한 열에너지를 공급하는 용도로 발전하고 있다.


특히 패시브하우스의 경우 열부하가 기존 건물에 비해 현저히 낮아져 한정된 지붕면적을 최대한 효율적으로 이용해 필요한 전기 및 열에너지를 공급할 수 있는 Final Solution으로 대두되고 있다.


그러나 전기와 열을 동시에 생산하는 복합기술에 대한 기준 제정, 성능표준화 및 단가 산정 부재로 PVT의 상용화 및 보급 확대에 장애가 되고 있다.


기존 상용화된 PVT 제품은 태양광발전(PV) 및 태양열 집열기 표준을 통해 시험평가 및 인증되고 있으며 태양열 집열기의 경우 국내 표준화 및 인증은 액체식태양열 집열기 대상으로 한정돼 있다.


PVT는 기존 단독의 PV 및 태양열 집열기와 달리 공기식과 액체식, 평판형과 집광형 등 열매체 종류와 집열형태에 따라 서로 다른 성능특성을 갖고 있기 때문에 PVT의 종류 및 특성을 고려한 성능평가가 필요하며 이를 위한 시험표준 및 인증제도 마련이 시급한 상황이다.


업계의 한 관계자는 “신규 기술개발제품인 PVT에 대한 성능평가기반을 선제적으로 구축함으로써 변화하는 국내·외 시장 환경에 대응할 수 있을 것”이라며 “다양한 종류의 PVT모듈은 동일한 시험조건과 성능표시로 성능이 입증돼야 하며 PVT의 표준화 및 기반구축 방안마련을 위해 타당성조사 및 현황분석 등 기초연구가 먼저 이뤄져야한다”고 지적했다.



해외 PVT시장 동향
PVT 제품은 시장에서 꾸준히 출시되고 있으며 최근 PVT시장은 PV의 가격하락과 PV시장 확대로 인해 성숙단계에 이르는 것으로 보고 있다. 지난 15년 동안 상업적으로 이용 가능한 제품의 수와 종류가 증가했으며 현재 유럽에서만 약 53개의 PVT 제품 제조사가 있는 것으로 조사됐다.




PVT모듈 제품은 열매체가 액체식일 경우 유리커버 유무에 따라 크게 구분된다. PVT시장의 약 90%는 무창형의 PVT모듈이며 열효율은 약 30~70% 수준이다.


열매체가 공기인 경우 무창형 형태가 대부분을 차지하며 대부분 후면 단열이 없는 구조로 비전도성의 공기를 열전달매체로 이용해 PV효율의 상승이 상대적으로 낮고 집열기 내 유체 정체 시 PV온도 상승이 높지 않은 것이 특징이다. PVT 제조사의 70% 이상이 무창형의 액체식 PVT모듈을 생산하고 있다.


프랑스의 에너지전문기관인 Ademe의 2016년 시장조사에 따르면 2015년 PVT시장 규모는 6만2,220m²로 파악됐다. 유럽태양열산업협회인 Solar Heat Europe의 같은 해 조사에서 태양열시장은 10만1,450m²로 집계됐다.


2017년 기준 스위스의 경우 약 300개의 PVT시설이 운영되고 있으며 총 면적은 약 1만5,000m²로 대부분 액체식 PVT 컬렉터가 보급됐다. 매년 약 3,000m²(2015년~2016년)의 PVT 컬렉터가 스위스에 설치됐으며 기존 태양열과 PV 설치면적은 각각 매년 약 10만m², 약 220만m²가 설치되는 것에 비하면 PVT시장 규모가 상당히 작다. 영국의 경우 연간 10~100건의 PVT시설이 설치되고 있으며 현재 약 500개의 시설이 운영되고 있다.


다양한 국제적인 활동에도, 상업적으로 이용 가능한 PVT 모듈과 시스템은 매우 한정돼 있다.


업계의 한 전문가는 “최근 PV가격의 급락과 보급확산으로 PVT시장이 탄력을 얻고 있다”라며 “이에 따라 표준 PV모듈의 확장된 형태로 PVT제품이 개발된다면 신재생에너지시장에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것”이라고 밝혔다.




국내 PVT 기술개발 현황은
현재 국내에서 개발 중인 PVT 관련기술 및 제품들은 각기 다른 특성을 갖고 있다. 크게 구분하면 공기식과 액체식, 주택용과 건물용, 단일 제품과 에너지자립형시스템 등으로 나눌 수 있으며 PVT모듈제조방식에 따라 Cell-Absorber 일체형 라미네이팅타입과 본딩형 타입으로도 나눌 수있다.


먼저 공기식 PVT의 경우 공기를 가열하는 방식으로 건물의 공조설비와 연결하거나 건조용으로 사용되는 것이 일반적이며 히트펌프와 결합하면 액체식 냉난방도 가능하다. 장점은 액체식과 대비해 누수, 동파에 대한 우려가 없어 제품의 신뢰성이 높다.


액체식 PVT의 경우 액체를 가열하는 방식으로 온수공급 및 냉난방 보조가 가능하고 역시 히트펌프와 결합해 다양한 용도로 사용이 가능하다. 장점은 공기식에 비해 집열효율이 높아 동절기에도 온수공급이 가능해 시스템의 경제성을 높일 수 있다.


장한기술이 국내 도입한 CoolPV는 외국기술을 바탕으로 유연한 플라스틱 재질의 집열을 위한 열교환기를 PV모듈 후면에 부착해 온수를 확보하는 기술 기반으로 PVT모듈의 상용화를 추진 중이다.




CoolPV의 PVT모듈은 PV 냉각효과로 발전성능이 20% 증가하고 기존 PV시스템 대비 3배 이상의 에너지를 생산하는 것으로 보고되고 있다. PVT모듈에 폴리머 집열기를 이용해 부식문제를 해결해 30년 수명을 보증하며 착탈방식, 경량화 및 시공비 절감에 의해 제품의 저가화를 추진하고 있다.


한국에너지기술연구원은 2004년부터 캐나다의 솔라월(SolarWall) 기술을 바탕으로 PVT기술 및 성능개선 연구를 수행했으며 태양열-지열에너지 기반의 MG(Micro Generation)기술을 캐나다와 국제공동으로 연구해 공기식 PVT 열원을 이용하는 히트펌프 시스템의 성능개선 연구를 수행한 바 있다.


탑솔은 2015년부터 공기식 PVT를 이용하기 위한 15kW급 히트펌프시스템 개발연구를 수행했으며 최근 한국에너지기술연구원과 국제공동연구를 통해 ‘태양광열-지열 이용 Trigeneration 시스템 개발 및 사업화’ 과제를 통해 공기와 온수를 동시에 얻는 PVT를 개발하고 물과 공기열원 그리고 지열을 히트펌프의 열원으로 이용하는 실증연구를 2020년까지 수행할 계획이다.


이번 개발사업을 통해 에너지효율 75%의 PVT모듈을 개발하고 PVT, 지열, 공기열원을 공급해 히트펌프 COP를 20% 이상 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.


이맥스시스템은 2017년부터 신재생에너지핵심기술개발 사업으로 ‘제로에너지건물 구현을 위한 0.8kW/㎡급 모듈화형태양광·열 융합시스템 및 운영 기술 개발’을 진행하고 있다. 이번 개발을 통해 생산단가를 낮추고 성능을 개선하는 액체식 PVT모듈을 개발하고 ESS 및 IoT와 연계해 제로에너지건축 솔루션으로 개발하는 것이 목표다.



태양열 전문기업 새한에너지는 지역주력산업육성사업인 ‘태양열 히트파이프를 적용한 반투명형 실리콘 태양전지 하이브리드 모듈 개발’을 통해 PV모듈 후면에 평판형 히트파이프를 적용한 액체식 PVT모듈을 개발했으며 2017년부터 신재생에너지핵심기술개발 사업을 통해 ‘온수자립형태양열광 복합 일체형 온수기 개발’을 수행 중이다.



공주대학교는 지난 2014년부터 한-캐나다 국제공동연구과제를 통해 공기식 BIPVT 컬렉터를 이용한 AHU 시스템개발 연구를 수행해 올해 PVT 컬렉터 개발뿐만 아니라 커튼월 유닛기술을 적용한 건물 일체화 기술, PVT 컬렉터를 기존의 건물 설비시스템과 연동해 건물일체형 PVT 공기열원 이용 AHU 유닛을 개발했다.


특히 공주대는 이 사업의 일환으로 천안소재 한 초등학교 증축부위에 국내 최초로 BIPVT 시스템을 실규모로 적용했다. PVT 실증시스템의 규모는 PV 기준 10kWp로 집열기 설치면적은 약 120m²이며 4개 교실에 환기 및 난방 예열원으로 이용한다.




업계의 한 관계자는 “국내 PVT부문의 경우 보급시장은 아직 열리지 않은 상황이며 여러 기관(기업)에서 다양한 형태의 PVT모듈 및 시스템에 대한 R&D가 진행되고 있다”라며 “2020년부터 제로에너지건물 의무화가 부분적으로 시작되고 2025년부터 전면적으로 제로에너지주택 의무화가 개시된다는 점을 고려할 때 본격적인 PVT모듈 및 시스템에 대한 시장은 2020년부터 활성화될 것”이라고 전망했다.


시장 활성화 방안은
국내 PVT 기술은 지난 10년 전부터 해외 기술을 바탕으로 기술개발이 이뤄졌으나 기술적 근거가 미흡하고 실증 등 유효성을 입증할 수 있는 연구개발이 부족해 실용화가 다소 미진한 실정이다. 다시 말해 국내 PVT시장은 아직 열리지 않았다.


다만 2020년부터 제로에너지건물에 대한 의무화가 부분적으로 시작되고 2025년부터 전면적으로 제로에너지주택 의무화가 개시된다는 점을 고려할 때 본격적인 PVT모듈 및 시스템에 대한 시장은 2020년부터 활성화될 것으로 예측된다. 이에 따라 여러 기업들이 관련 R&D프로젝트들의 성공적인 초기시장 진입을 위해 개발에 박차를 가하고 있다.


이처럼 최근 해외 PVT산업 성장과 함께 신재생에너지 융합기술로 공기식 및 액체식 PVT모듈 기술개발이 활발히 이뤄지고 있는 있지만 성능을 검증하고 지원하기 위한 표준 및 인증제도의 부재로 상용화에 걸림돌이 되고 있다.



PVT시스템은 기존 단독의 PV 및 태양열 집열기와 달리 공기식과 액체식, 평판형과 집광형 등 열매체 종류와 집열형태에 따라 서로 다른 성능특성을 갖고 있어 PVT의 종류 및 특성을 고려한 성능평가 방법, 시험표준 및 인증제도가 필요하다.


또한 동일한 시험조건과 성능표시에 의해 PVT의 성능이 입증돼야 하며 이를 통해 시장성장, 경쟁유도 및 소비자의 신뢰를 확보할 수 있어야 한다.


다만 획일적인 표준화, 즉 재료, 제조방법, 재료규격 등에 대한 표준화는 오히려 제품 또는 기술개발을 저해하는 요인이 될 수 있다. 이에 따라 구태의연한 획일적인 표준화보다는 소비자 입장에서 적합한 최소품질 요구표준을 만들어 규정화 하는 것이 바람직해 보인다.


업계의 한 관계자는 “최소성능요건이나 최소수명요건 등의 표준제정 및 규정만으로도 시장에서 고객이 요구하는 조건을 충분히 만족시킬 수 있을 것”이라며 “현 시점에서 가장 시급한 사항은 정부인증시험기준을 조속히 제정하는 것”이라고 강조했다.


또 다른 관계자는 “현재 PVT 관련 많은 R&D가 진행 중에 있어 아마도 2∼3년 내 다수의 제품이 시장에 진입할 것으로 보이나 이에 대한 정부인증제도가 없어 많은 혼란이 예상된다”라며 “이에 따라 산업통상자원부와 에너지공단은 더 늦기 전에 PVT와 관련한 인증제도를 마련해야 한다”고 지적했다.


올해 에너지공단의 정책과제로 PVT 인증시험기준 마련을 위한 기초연구용역이 완료된 바 있다. 국내의 PVT 기술 및 산업 확대를 위해 PVT 성능표준화를 위한 별도의 표준 및 인증제도가 조속히 마련돼야 하며 PVT를 위해 추진되고 있는 국제표준에 부합될 수 있는 수준의 KS표준 및 인증제도가 마련이 시급해 보인다.


PVT시스템은 기존 PV와 태양열 집열기와 달리 인센티브, 가점 등 정부지원 및 관련정책이 없어 초기 시장진입에 어려움이 있는 만큼 이에 대한 대책 마련이 필요하다.


업계의 관계자는 “국내의 신재생에너지 관계자라면 누구나 동의하는 사항이지만 대한민국의 신재생에너지산업은 일방적으로 태양광발전에 쏠려 있으며 이를 우려하는 목소리가 각계각층에서 들려오는 게 현실”이라며 “국가적인 차원에서 볼 때 신재생에너지의 위기관리 차원에서라도 태양광일변도의 정책은 심각한 결과를 초래할 수 있음을 깨우쳐야 할 것”이라고 지적했다.


이런 맥락으로 볼 때 태양광발전부문의 부담을 경감시키는 차원에서라도 열에너지가 필요한 용도에는 가능한 한 1차열에너지를 사용하도록 하는 정부차원의 캠페인이 절실히 필요한 시점이라고 관련업계 관계자들은 한목소리를 내고 있다.


PVT 시스템은 이러한 현실적인 문제점을 한 번에 해결할 수 있는 좋은 사업아이템이다. 하나의 모듈에서 발전과 집열을 동시에 함으로써 전력과 열 생산이 어우러지는 합리적인 대안이 될 수 있기 때문이다.


이에 따라 관련시장의 활성화를 위해 정부차원에서의 인증시험기준 및 보급제도 등의 기반 마련이 절실히 요구된다. 획기적인 보급지원제도 등을 통한 조기보급 확산으로 정부의 재생에너지보급 목표인 ‘재생에너지 3020’ 달성도 상당히 기여할 것으로 기대된다.